红外光学系统无热化设计方法的研究

无热化设计是利用不同手段消除环境温度变化对光学系统性能的影响。针对红外光学系统,提出一种光学被动式无热化设计方法。从单个透镜出发,列出透镜组的消热差方程组,通过笛卡尔坐标系描绘出常用红外材料的消热差系数和消色差系数,使用图解方法求得红外材料的合理组合,同时得到归一化的组合光焦度分配。最后用实例说明光学被动式无热化设计的求解过程,并通过光学设计软件对结果进行分析,说明该设计结果在-40℃～+60℃温度范围内均满足消热差和像差要求。     

宽谱段红外消热差光学系统设计

宽谱段红外光学系统可以获取宽谱段的图像信息并增大目标信息获取程度。从红外光学系统的简洁性出发,对红外光学系统进行设计,系统仅由4片球面透镜组成,实现了4.4 m~8.8 m波段清晰成像, F#为2.68,达到了100%的冷光阑效应。采用被动消热差方式通过合理选择镜片材料及公式推导最终实现了各个波段内的消热差,镜筒材料为钛合金,透镜采用硒化锌（ZnSe）,锗（Ge）及硫化锌（ZnS）材料,给出20 lp/mm处系统在各个波段在-40 ℃~60 ℃的工作温度下的调制传递函数（MTF）,以及各个波段下的光学系统畸变值。实验结果表明:设计的宽谱段红外光学系统结构简单,满足设计要求。     

双视场/双色红外消热差光学系统设计

双色红外光学系统能够同时获取长波红外与中波红外的波段信息,有利于目标的搜索和识别.本文针对红外热像仪的需求,对双视场/双色红外光学系统进行了设计.实现了4.4～5.4μm/7.8～8.8μm双波段同时清晰成像,在F#为2.68情况下,通过切换变倍组完成9°×6.75°/3°×2.25°双视场转换.通过红外材料与光焦度的合理分配实现了折射式被动消热差设计.设计结果表明,系统在-40℃～+60℃工作温度下,像面稳定、像质优良,能够满足红外热像仪的使用需求.     

双色红外共孔径消热差光学系统设计

针对红外搜索跟踪系统对目标的探测,为提高光学系统在复杂背景下的探测能力,设计了双色红外共口径光学系统。系统工作波段为红外中波3 m~5 m和红外长波8 m~12 m,采用分光型RC系统实现双波段共孔径清晰成像,总焦距为400 mm,相对孔径D/f=1/2,全视场角为2,为了抑制中波的热辐射杂光,对中波系统实现了二次成像,通过红外材料与光焦度的合理分配实现了折反式被动消热差设计。设计结果表明,系统在-40℃～+60℃工作温度下像质优良,能够满足红外搜索跟踪系统的使用需求。     

折射/衍射混合红外双焦光学系统设计

利用二元光学元件消色差和对波面进行任意整形的特点，将二元衍射面应用于红外双焦光学系统中，对变焦方程的解进行了分析，给出了具体的系统设计实例.设计结果表明，在仅使用4片锗透镜的情况下，系统焦距为80 mm，F数为0.8时，系统垂轴像差小于72μm，在10lp/mm时光学传递函数大于0.8；系统焦距为160mm，F数为1.6时，系统垂轴像差小于35μm，在10lp/mm时光学传递函数大于0.7. 关键词： 红外变焦光学系统 折射/衍射混合透镜 光学设计     

用于目标跟踪/识别中红外AOTF光谱相机光学系统的设计与优化

为获得红外目标的空间信息和光谱信息,设计了一种用于中波红外声光可调谐光谱相机的光学系统.设计中引入折/衍射混合透镜,在用6片透镜的情况下达到了12×变倍,在长焦处时能识别2 000m远的目标.采用ZEMAX光学设计软件模拟声光晶体的衍射,在晶体出射面上优化设计了4°的楔角,使-1级衍射光能共轴出射.该光学系统在空间频率17lp/mm处调制传递函数值最大达到0.7,能量集中度大于90%,能够满足光谱相机用于识别/跟踪目标的要求.     

非制冷长波红外热像仪折衍混合双视场光学系统设计

根据衍射光学元件具有大的负向色散特性,将衍射光学元件应用于红外双视场光学系统中,根据傅里叶光学分析衍射光学元件(DOE)的消色差,列表对比折射透镜与衍射光学透镜的特性,并给出变倍比为4∶1可用作非制冷红外热像仪的光学系统的具体设计实例.系统采用切入式变焦方式,在短焦时切入2片透镜实现宽视场,通过引入二元面和非球面提高了成像质量.设计结果表明:在空间频率11 lp/mm处,短焦距40 mm时,各个视场的MTF值均大于0.6;长焦距160 mm时,各个视场的MTF值均大于0.7,宽视场和窄视场都具有较好的成像质量.     

三视场红外搜索光学系统的设计

设计一款实际工程应用的红外三视场光学系统,其中大中视场利用透镜组切换变倍,小视场和大视场利用反射镜切换变倍。设计中采用二次成像的方式,3个视场共用二次成像透镜组,保证100％冷屏效率,减小第1片透镜的过口径。同时,采用非球面技术校正系统的球差和彗差,通过光学设计软件CODE V仿真,得出最大的点列斑为11 m左右,并且MTF接近衍射极限,成像质量完全满足使用要求。最后,该系统利用反射镜折叠光路实现了系统结构紧凑、体积小的特点。     

1.3～5μm宽波段红外成像光学系统设计

宽波段红外成像技术可以获取丰富的波段信息,在目标识别和频谱分析中具有独特的优势。设计了一种1.3~5μm宽波段短中波红外光学系统,该光学系统采用二次成像设计,包括7块透镜和2片反射镜,其中使用了2片硅非球面和1片硒化锌基底衍射面用以校正像差和色差。利用光学设计软件给出了系统的光学参数和二维外形结构图,并且对其像质和冷反射进行了系统分析。该系统可以实现在工作波段1.3~5μm宽波段中成像,其F数为2,满足100%冷光阑效率。该系统结构紧凑,像质较好,能够实现宽波段成像要求。     

基于衍射光学元件的红外弱目标探测系统设计

根据非制冷焦平面阵列（FPA）探测器性能参数以及所需探测红外弱目标的大小与探测距离,计算并设置了系统参数,设计并研制了与之相匹配的长波红外光学系统,实现了对红外弱目标的探测。该红外光学系统基于6°×6°视场角,采用像方远心光路来实现。分析与计算结果表明,采用衍射非球面设计的由两片Ge镜片组成的红外弱目标探测光学系统具有重量轻、系统能量传输效率高和像质优良的优势。与三片球面Ge-AMTIR1-Ge红外光学系统相比,系统质量轻25%,能量传输效率高7%;与常规非球面Ge-Ge透镜系统相比,像质改善50%。比较结果显示,可见衍射非球面光学元件在红外弱目标探测系统中具有较好的应用前景。     

光学被动式和机电式组合消热差方法的研究

为了解决机电式消热差中光学系统热差太大,透镜的移动不能补偿温度变化引起的像面漂移问题,提出光学被动式和机电式消热差相结合的无热设计方法。该方法先通过光学被动消热差方法得到合理的消热差透镜组合,使热差控制在较小的范围内;然后通过机电消热差的方法消除剩余热差。在(-40～60)℃温度范围内,利用该方法对波长为(7.5～10.5)μm的双视场红外光学系统进行无热化设计,借助传递函数(MTF)对设计结果进行评价,说明该设计在整个温度范围内满足系统像差要求。     

中波红外长焦距折反光学系统设计

针对多模制导中长焦距红外光学系统结构紧凑及宽温度范围热稳定性的要求,设计了一种中波红外折反光学系统。该系统根据其它模式制导的要求,采用固定焦距和口径的主镜,通过二次成像,在保持长焦距的同时减小了透镜的口径,降低了到达中继成像系统主光线的高度,同时也降低了制造成本。设计了波长为3.7~4.8 μm、焦距f为300 mm、F数为2的中波红外成像系统。结果表明,该系统结构紧凑像质优良,各视场光学传递函数均大于0.6,接近衍射极限,并且在-50~70℃可实现光学被动消热差。针对该光学系统进行了公差分析并提出了抑制杂散辐射的方法,该系统满足实际加工和应用需求。     

红外热成像系统中冷反射的分析和控制

介绍了红外成像系统中冷反射形成的原因。通过对实际的光学系统的近轴光路分析,分析了在红外扫描成像系统中容易出现冷反射的两种主要情形,描述了针对这两种主要的冷反射,在光学系统的设计中,所采取的抑制冷反射的措施。最后根据光学系统的设计实例,分析了镀膜对冷反射的影响,给出透镜镀制不同反射率的膜层时,该光学系统中冷反射的计算及分析数据。     

红外折衍混合摄远光学系统无热化设计

为了提高远距离红外目标的探测能力,针对640 pixel×512 pixel红外CCD探测器,分析温度变化对光学系统的影响,设计出一种波长范围为8 μm~12 μm红外摄远物镜。系统采用折衍混合结构形式,焦距为200 mm,相对孔径为1:2.2,视场角为7°,具有体积小,结构紧凑的优点。仅使用硫化锌、硒化锌和锗3种材料以及4片透镜实现了无热化设计。应用Zemax对设计结果进行像质评价,在-40 ℃~+60 ℃工作温度范围内,截止频率为17 lp/mm时各视场调制传递函数值超过0.4,达到衍射极限,像面稳定,80%的能量集中在1个像元内,满足光学系统的设计要求。     

高速切换紧凑型双视场无热化红外光学系统设计

采用透射二次成像光学系统结构形式,实现了远射比为1,F数为1.67,变倍比为4.6的红外双视场光学系统设计。采用光学元件切换变倍方式,配合电磁阀切换机构实现了60 ms的变倍速率;采用光学被动补偿方式,通过适当的光学和结构材料匹配,实现了-40~+50℃无热化设计。设计结果表明：光学系统在不同温度下各视场调制传递函数在特征频率为20 lp/mm时接近衍射极限,空间排布紧凑,视场切换速度快,该双视场红外光学系统满足应用需求。     

长波红外大孔径长焦距无热化光学系统设计

对于长波红外长焦距光学系统,大孔径能使系统具有更好的成像亮度,但也带来了孔径边缘像差较大且难以校正的问题。利用折反射式结构减少光学系统总长,采用两块反射镜结构作为基础,在其后搭配一组校正折射透镜构成光学系统,并应用光焦度分配、消热差及消色差条件,设计出大孔径、长焦距的长波红外无热化光学系统。该光学系统工作波段为8～12μm,焦距为800 mm,全视场角为0.6°,F数为2.5,遮拦比为0.2,光学系统总长为344.62 mm;在-40～60℃工作温度范围内,全视场角的调制传递函数值在奈奎斯特频率20 lp/mm处均大于0.25。设计的长波红外大孔径长焦距光学系统由2块反射镜和4块折射透镜组成,系统结构紧凑,成像性能稳定,可为类似此类光学系统设计提供参考。     

红外耦合光学系统设计

红外目标模拟器由红外目标图像发生器和投影光学系统组成。该红外光学系统是一个要求与2个导引光学系统的光学技术参数相匹配的长焦距、大视场和具有像方远心光路的中红外光学系统。叙述用于红外目标模拟器的红外耦合光学系统的设计原理，提出它与导引光学系统一起可组成放大倍率M=4.5×的红外投影光学系统，并指出IR CRT产生的图像通过红外投影光学系统可成像在导引接收器上。针对给出的红外耦合光学系统的设计特点和技术要求，光学材料选取硅（Si） 锗（Ge） 硅（Si），采用简单的柯克三片式结构完成光学系统设计。设计评价结果表明，该系统的光学性能和成像质量均满足设计指标要求。     

30 mm~110 mm大孔径红外变焦热像镜头设计

变焦系统可在大范围内快速寻找、搜索目标,同时能在小范围内对目标物体进行更加细致的观察。因此红外变焦光学系统在国防、工业等领域的应用与需求不断增长。对连续变焦镜头的设计理论、设计方法进行介绍,利用Zemax软件设计了一款连续变焦的红外镜头,变焦范围为30 mm~110 mm,工作波段在8 μm ~12 μm,F#为1.0,配合一款320像素×240像素的非制冷探测器使用,探测器像元尺寸为25 μm×25 μm,光学系统的总长小于230 mm,整个系统由7片透镜组成,并且只使用了锗一种材料,所有表面均为球面。实验结果表明:在短焦30 mm时,系统MTF值在20 lp/mm处均大于0.3;长焦110 mm时,系统MTF值在20 lp/mm处大于0.317 4。最后对红外变焦系统进行了容差分析,得出一组较为宽松的公差。     

10倍全球面红外变焦光学系统设计

针对320240像素非制冷红外焦平面探测器,设计了一个工作波段为3.7 m~4.8 m的红外变焦光学系统。该系统由6片全球面透镜组成,采用硅和锗两种常见的红外材料,F数为2.5,后工作距为20 mm,可以实现15 mm~150 mm范围内连续变焦。设计评价结果表明:光学系统在探测器奈奎斯特频率16 lp/mm处,变焦范围内全视场MTF大于0.6, 0.7视场MTF接近0.7,整体接近衍射极限。焦平面探测器敏感元能量集中度大于70%,具有大相对孔径、长工作距、全球面的特点。在-20 ℃~60 ℃温度范围内,成像质量满足设计要求。     

PW法对连续变焦光学系统初始结构的求解

介绍了PW法在连续变焦光学系统初始结构求解过程中的应用。在物像交换原则的基础上对光学系统的各组件进行光焦度分配和间距的选择得到变焦系统的结构形式。通过改变PW值的大小以及正负选择最佳的玻璃组合,消像差以及计算透镜的形状。利用PW初始结构求解法设计得到了焦距为50 mm~20 mm的中波红外变焦系统,该系统包括5片透镜以及2个非球面,结构简单并且满足100%冷阑匹配。最终得到光能透过率高,成像质量好的连续变焦光学系统,可以满足实际应用需求。因此,PW初试结构求解法在连续变焦光学系统设计中具有一定的借鉴意义。